河道水位升降時岸坡滲流對邊坡穩(wěn)定的影響

河道水位升降時岸坡滲流對邊坡穩(wěn)定的影響

長期以來，所有學術學科，尤其是水力學和土力學，都進行了大量的研究，并取得了較高的進步，但許多研究工作僅限于對沖積河流兩岸坍塌的研究。盡管在自然界的河流中滲流流量遠遠小于河流流量,但是它對于泥沙起動,泥沙輸送,以及河床和岸坡的穩(wěn)定等方面影響很大。研究岸坡滲流對邊坡穩(wěn)定的影響機理具有重要意義。岸坡的穩(wěn)定性與岸坡泥沙的休止角密切相關。有關無粘性泥沙水下休止角的研究工作很多,但其結(jié)果有很大的出入,主要是由于試驗采用的方法和泥沙性質(zhì)不同所造成的。滲流的引入使得研究更加復雜,Rhee和Bezuijen在1992年提出了連續(xù)模型和單顆粒模型,分別用于計算向上和向下的滲流存在時泥沙的休止角。在較近期的研究中,Lu理論推導了滲流作用下均勻泥沙休止角的公式,適用于兩種方向的滲流,計算結(jié)果和試驗吻合很好。由于顆粒物質(zhì)之間的孔隙存在,沖積河流兩岸的邊坡滲流是極其常見的。河道水位和地下水位之間的差異使得水連續(xù)的流入或流出岸坡形成滲流,土體內(nèi)滲流場的研究相對比較成熟。圖1給出了洪水過后滲流在岸坡中流動的示意圖。本研究的主要目的是提出理論判據(jù),分析滲流強度和方向?qū)Π镀路€(wěn)定的影響。1滲流過程的水力梯度退水期河道水位降落時在岸坡滲流面AB上(圖1)的泥沙不再受到河道水流的沖刷作用,假設組成岸坡的泥沙為球狀的無粘性顆粒,作用在邊坡表層泥沙顆粒上的力的分布如圖2所示。在起動的臨界狀態(tài)下顆粒1受力狀況為滲透壓力FS,水下重力W和來自顆粒3或4的法向力N和切向力T。作用力分布的幾何關系如圖3(a)和圖3(b)所示。當顆粒開始起動時總是以滾動形式發(fā)生,以顆粒1為對象,容易寫出以P點為名義力矩中心的力矩平衡方程∑Μ=FS?e1-W?e2=0(1)e1=Q1Ρsin(?+θ)(2)e2=Ο1Ρsin(?-α)(3)∑M=FS?e1?W?e2=0(1)e1=Q1Psin(?+θ)(2)e2=O1Psin(??α)(3)式中e1和e2分別為滲透力和水下重力的力臂;α為滲流存在時的臨界穩(wěn)定坡度角;θ為滲流的方向,從斜坡的外法向按順時針方向向滲流方向量測(圖2),范圍在0到2π之間。將式(2)和式(3)代入式(1),可得FS=sin(?-α)sin(?+θ)W(4)球形顆粒的水下重力為W=π6D3(ρs-ρ)g(5)FS=sin(??α)sin(?+θ)W(4)球形顆粒的水下重力為W=π6D3(ρs?ρ)g(5)式中D為顆粒的粒徑;ρs為泥沙的密度;ρ為流體(水)的密度;g為重力加速度。以滲流流出岸坡時的水力坡度為正,利用達西定律可推導出作用在邊坡上層泥沙上的滲透壓力(圖4)為S=i?ρgD2ls(6)式中i為滲流的水力梯度。由于所考慮的邊坡表面這一薄層長度為ls,寬度和長度皆為單顆粒粒徑,其體積為D×D×ls,容易計算出薄層中泥沙顆粒的數(shù)目:n=6ls(1-ε)πD(7)式中ε為泥沙的孔隙率。這樣,可得作用在單顆粒泥沙上的滲透力FS=i?ρgπD36(1-ε)(8)考慮到顆粒粗細的影響,在式(8)引入一系數(shù),得FS=i?ρgπD3β6(1-ε)(9)式中β隨泥沙顆粒的尺寸變化,對于粗顆粒泥沙取0.5,細顆粒取1。將式(5)和式(9)代入到式(4)可得i=(1-ε)ρs-ρρsin(?-α)βsin(?+θ)(10)式(10)暗示?是沒有滲流時的最大穩(wěn)定坡度,也就是均勻球形泥沙的休止角。水平床面上泥沙液化臨界狀態(tài)時的水力梯度有如下形式:ic=(1-ε)ρs-ρρ(11)式(10)除以式(11)得iic=sin(?-α)βsin(?+θ)(12)應當注意到,在?+θ=π或者2π時,α=?,這是滲流是否有利于岸坡穩(wěn)定的轉(zhuǎn)折點。對于向上和向下的兩種滲流,也就是θ=0或π,式(12)簡化為iic=sin(?-α)βsin?(13)2沙體材料特性試驗是在一個長30m,寬0.7m,深0.6m的玻璃水槽中進行,中部的試驗區(qū)有一段長2m,深0.2m和水槽同寬的凹陷,用來提供均勻滲流(圖5)。滲流區(qū)的泥沙由一塊覆蓋有濾布的不銹鋼多孔鋼板支撐,下部固定有12根相同的管道,用來控制和測量向下的滲流;向上的滲流由單獨的潛水泵提供,并由電磁流量計監(jiān)控。試驗采用3種沙樣,表1中列出每種泥沙的主要特性,其中均勻系數(shù)由公式δ=12(D84/D50+D50/D16)計算得出,圖6給出了3種泥沙的粒徑分布累積頻率曲線。實驗步驟如下:①通過尾閘調(diào)節(jié)水槽中水深到預定值;②將泥沙自由沉降到滲流區(qū)域形成沙丘到適當高度,并利用床面形態(tài)測量儀量測沙丘的幾何尺寸;③緩慢引入向下或向上的滲流到預定大小;④由于滲流引入時的沖擊,斜坡并非此時的臨界穩(wěn)定坡度,所以在達到穩(wěn)定狀態(tài)后需沉入額外的泥沙顆粒到沙丘上以保證邊坡的坡度最大。這樣試驗得到對應于不同的滲流強度的臨界穩(wěn)定坡度。3滲流強度對岸坡穩(wěn)定性的影響測量數(shù)據(jù)表明滲流的存在對臨界坡度的影響很大:向上的滲流減小了臨界坡度;而向下的滲流作用相反(圖7)。理論式(13)也在圖7中繪出,方程中的系數(shù)取β=0.75和?=34°,可見理論方程和試驗點據(jù)吻合得很好。值得注意的是對于每組泥沙都取β=0.75和?=34°不能認為是妥當?shù)?因為這些系數(shù)是隨泥沙顆粒的大小和形狀而變化的。對于河道水位下降時岸坡中滲流的流場可參照圖1所示,在坡面上滲流的方向從在A點處的θ=0°變化到B點處的θ=90°。在滲流方向的變化范圍內(nèi)繪出式(12)(圖8),這里同樣取系數(shù)β=0.75和?=34°,可以得到一組曲線,每根曲線對應于不同的滲流大小i/ic。由圖8可看出,臨界穩(wěn)定坡度是隨滲流方向θ變化的,并且在滲流方向為θ=90°-?時臨界坡度取得其最小值,也就是在滲流強度相同時這一滲流方向最不利于岸坡的穩(wěn)定。同時,圖8也表明滲流強度越大將導致更小的臨界穩(wěn)定坡度,再次驗證了滲流可能破壞岸坡穩(wěn)定。張幸農(nóng)等通過概化模型試驗測量了在渠道水位以不同的速率降低時岸坡的穩(wěn)定性。試驗觀測表明渠道水位的退水速率的加大會導致岸坡中滲流強度的增大,從而使得岸坡穩(wěn)定性減小,這一結(jié)論和式(12)或圖8中描繪的基本一致。退水期河道中水位下降導致了岸坡中滲流的形成(圖1),使得原先坡度等于無滲流作用下泥沙休止角的岸坡失去穩(wěn)定。由于坡面上各點處滲流方向不同,造成各處的臨界穩(wěn)定坡度也不同?？紤]最安全的情況,也就是以最不利于岸坡穩(wěn)定的滲流方向下的臨界穩(wěn)定坡度作為退水時滲流作用下的臨界坡度。例如,退水前岸坡穩(wěn)定在α=?=34°,退水時河道水位的下降造成強度為i/ic=0.30的滲流,可以由式(12)計算出最小的臨界穩(wěn)定坡度α=17°,也就是此滲流影響下岸坡重新達到穩(wěn)定時的臨界坡度,這點圖8中的曲線可以更加直觀的表達。需要再次指出由于坡面表面的滲流其方向并非都是最不利于岸坡穩(wěn)定,也就是θ=90°-?,所以這樣預測的滲流對岸坡穩(wěn)定的影響偏大,但無疑提供了一種退水期考慮滲流作用,對臨界穩(wěn)定坡度的合理和安全的估計方法。同時,式(12)也可以用來估算維持岸坡穩(wěn)定的最大滲流強度。4滲流方向?qū)Ψ€(wěn)定性的影響通過理論分析和試驗相結(jié)合,詳細分析了退水期河道水位下降時岸坡滲流對于邊坡穩(wěn)定的影響。研究首先在泥沙顆粒受力分析中引入滲透力,推導出滲流水力梯度和臨界坡度的關系方程。滲流方向在0<θ<π-?和